Abstract Cancer is driven by genetic change, and the advent of massively parallel sequencing has enabled systematic documentation of this variation at the whole-genome scale 1–3 . Here we report the integrative analysis of 2,658 whole-cancer genomes and their matching normal tissues across 38 tumour types from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA). We describe the generation of the PCAWG resource, facilitated by international data sharing using compute clouds. On average, cancer genomes contained 4–5 driver mutations when combining coding and non-coding genomic elements; however, in around 5% of cases no drivers were identified, suggesting that cancer driver discovery is not yet complete. Chromothripsis, in which many clustered structural variants arise in a single catastrophic event, is frequently an early event in tumour evolution; in acral melanoma, for example, these events precede most somatic point mutations and affect several cancer-associated genes simultaneously. Cancers with abnormal telomere maintenance often originate from tissues with low replicative activity and show several mechanisms of preventing telomere attrition to critical levels. Common and rare germline variants affect patterns of somatic mutation, including point mutations, structural variants and somatic retrotransposition. A collection of papers from the PCAWG Consortium describes non-coding mutations that drive cancer beyond those in the TERT promoter 4 ; identifies new signatures of mutational processes that cause base substitutions, small insertions and deletions and structural variation 5,6 ; analyses timings and patterns of tumour evolution 7 ; describes the diverse transcriptional consequences of somatic mutation on splicing, expression levels, fusion genes and promoter activity 8,9 ; and evaluates a range of more-specialized features of cancer genomes 8,10–18 .

Pancreatic cancer is a highly lethal malignancy with few effective therapies. We performed exome sequencing and copy number analysis to define genomic aberrations in a prospectively accrued clinical cohort (n = 142) of early (stage I and II) sporadic pancreatic ductal adenocarcinoma. Detailed analysis of 99 informative tumours identified substantial heterogeneity with 2,016 non-silent mutations and 1,628 copy-number variations. We define 16 significantly mutated genes, reaffirming known mutations (KRAS, TP53, CDKN2A, SMAD4, MLL3, TGFBR2, ARID1A and SF3B1), and uncover novel mutated genes including additional genes involved in chromatin modification (EPC1 and ARID2), DNA damage repair (ATM) and other mechanisms (ZIM2, MAP2K4, NALCN, SLC16A4 and MAGEA6). Integrative analysis with in vitro functional data and animal models provided supportive evidence for potential roles for these genetic aberrations in carcinogenesis. Pathway-based analysis of recurrently mutated genes recapitulated clustering in core signalling pathways in pancreatic ductal adenocarcinoma, and identified new mutated genes in each pathway. We also identified frequent and diverse somatic aberrations in genes described traditionally as embryonic regulators of axon guidance, particularly SLIT/ROBO signalling, which was also evident in murine Sleeping Beauty transposon-mediated somatic mutagenesis models of pancreatic cancer, providing further supportive evidence for the potential involvement of axon guidance genes in pancreatic carcinogenesis. Exome sequencing and copy number analysis are used to define genomic aberrations in early sporadic pancreatic ductal adenocarcinoma; among the findings are mutations in genes involved in chromatin modification and DNA damage repair, and frequent and diverse somatic aberrations in genes known as embryonic regulators of axon guidance. This large-scale study presents exome sequencing and copy number variant analysis from 142 patients with pancreatic ductal adenocarcinoma, the most common form of pancreatic cancer. Among the findings are mutations in genes involved in chromatin modification and DNA damage repair, not previously implicated in this disease. Importantly, the data show that abnormal expression of genes involved in slit and semaphorin signalling is associated with poor patient survival, and in animal models was associated with disease development and progression.

Paul Boutros, Robert Bristow and colleagues report a molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer. They find that multifocal tumors are highly heterogeneous, and they identify a novel recurrent amplification of MYCL1. Herein we provide a detailed molecular analysis of the spatial heterogeneity of clinically localized, multifocal prostate cancer to delineate new oncogenes or tumor suppressors. We initially determined the copy number aberration (CNA) profiles of 74 patients with index tumors of Gleason score 7. Of these, 5 patients were subjected to whole-genome sequencing using DNA quantities achievable in diagnostic biopsies, with detailed spatial sampling of 23 distinct tumor regions to assess intraprostatic heterogeneity in focal genomics. Multifocal tumors are highly heterogeneous for single-nucleotide variants (SNVs), CNAs and genomic rearrangements. We identified and validated a new recurrent amplification of MYCL, which is associated with TP53 deletion and unique profiles of DNA damage and transcriptional dysregulation. Moreover, we demonstrate divergent tumor evolution in multifocal cancer and, in some cases, tumors of independent clonal origin. These data represent the first systematic relation of intraprostatic genomic heterogeneity to predicted clinical outcome and inform the development of novel biomarkers that reflect individual prognosis.

Mitochondria are essential cellular organelles that play critical roles in cancer. Here, as part of the International Cancer Genome Consortium/The Cancer Genome Atlas Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes Consortium, which aggregated whole-genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumor types, we performed a multidimensional, integrated characterization of mitochondrial genomes and related RNA sequencing data. Our analysis presents the most definitive mutational landscape of mitochondrial genomes and identifies several hypermutated cases. Truncating mutations are markedly enriched in kidney, colorectal and thyroid cancers, suggesting oncogenic effects with the activation of signaling pathways. We find frequent somatic nuclear transfers of mitochondrial DNA, some of which disrupt therapeutic target genes. Mitochondrial copy number varies greatly within and across cancers and correlates with clinical variables. Co-expression analysis highlights the function of mitochondrial genes in oxidative phosphorylation, DNA repair and the cell cycle, and shows their connections with clinically actionable genes. Our study lays a foundation for translating mitochondrial biology into clinical applications.

Abstract As whole-genome sequencing for cancer genome analysis becomes a clinical tool, a full understanding of the variables affecting sequencing analysis output is required. Here using tumour-normal sample pairs from two different types of cancer, chronic lymphocytic leukaemia and medulloblastoma, we conduct a benchmarking exercise within the context of the International Cancer Genome Consortium. We compare sequencing methods, analysis pipelines and validation methods. We show that using PCR-free methods and increasing sequencing depth to ∼100 × shows benefits, as long as the tumour:control coverage ratio remains balanced. We observe widely varying mutation call rates and low concordance among analysis pipelines, reflecting the artefact-prone nature of the raw data and lack of standards for dealing with the artefacts. However, we show that, using the benchmark mutation set we have created, many issues are in fact easy to remedy and have an immediate positive impact on mutation detection accuracy.

As next-generation sequencing becomes a clinical tool, a full understanding of the variables affecting sequencing analysis output is required. Through the International Cancer Genome Consortium (ICGC), we compared sequencing pipelines at five independent centers (CNAG, DKFZ, OICR, RIKEN and WTSI) using a single tumor-blood DNA pair. Analyses by each center and with one standardized algorithm revealed significant discrepancies. Although most pipelines performed well for coding mutations, library preparation methods and sequencing coverage metrics clearly influenced downstream results. PCR-free methods showed reduced GC-bias and more even coverage. Increasing sequencing depth to ~100x (two- to three-fold higher than current standards) showed a benefit, as long as the tumor:control coverage ratio remained balanced. To become part of routine clinical care, high-throughput sequencing must be globally compatible and comparable. This benchmarking exercise has highlighted several fundamental parameters to consider in this regard, which will allow for better optimization and planning of both basic and translational studies.

The emergence of next generation DNA sequencing technology is enabling high-resolution cancer genome analysis. Large-scale projects like the International Cancer Genome Consortium (ICGC) are systematically scanning cancer genomes to identify recurrent somatic mutations. Second generation DNA sequencing, however, is still an evolving technology and procedures, both experimental and analytical, are constantly changing. Thus the research community is still defining a set of best practices for cancer genome data analysis, with no single protocol emerging to fulfil this role. Here we describe an extensive benchmark exercise to identify and resolve issues of somatic mutation calling. Whole genome sequence datasets comprising tumor-normal pairs from two different types of cancer, chronic lymphocytic leukaemia and medulloblastoma, were shared within the ICGC and submissions of somatic mutation calls were compared to verified mutations and to each other. Varying strategies to call mutations, incomplete awareness of sources of artefacts, and even lack of agreement on what constitutes an artefact or real mutation manifested in widely varying mutation call rates and somewhat low concordance among submissions. We conclude that somatic mutation calling remains an unsolved problem. However, we have identified many issues that are easy to remedy that are presented here. Our study highlights critical issues that need to be addressed before this valuable technology can be routinely used to inform clinical decision-making.

Abstract The interplay between 3D chromatin architecture and gene silencing is incompletely understood. Here, we report a novel point mutation in the non-canonical SMC protein SMCHD1 that enhances its silencing capacity at endogenous developmental targets and at the facioscapulohumeral muscular dystrophy associated macro-array, D4Z4. Heightened SMCHD1 silencing perturbs developmental Hox gene activation, causing a homeotic transformation in mice. Paradoxically, the mutant SMCHD1 appears to enhance insulation against another epigenetic regulator complex, PRC2, while depleting long range chromatin interactions akin to what is observed in the absence of SMCHD1. These data suggest that SMCHD1’s role in long range chromatin interactions is not directly linked to gene silencing or insulating the chromatin, refining the model for how the different levels of SMCHD1-mediated chromatin regulation interact to bring about gene silencing in normal development and disease.